煤岩介质对水压裂隙扩展的影响机理

为研究不同煤岩介质压裂条件下水压钻孔裂隙起裂压力、起裂位置的变化规律,通过梳理现有理论,对连续介质弹性理论和非连续介质断裂理论2种经典模型进行比较。以王家岭煤矿等9个矿井为研究对象,针对不同介质岩石钻孔的压裂条件,开展室内试验并对结果进行比较,采用比较分析法进一步研究围岩压力、抗压强度对裂隙起裂压力、起裂位置的影响规律。结果表明:不同应力环境中,侧压系数越大,2种介质岩石钻孔开裂所需的起裂压力越大,相差越大,差值(2种压力差与连续介质岩石起裂压力的比值)越小,当侧压系数大于2时,差值无限接近于0;不同介质岩石的抗压强度具有差异性,抗压强度越大,2种介质岩石钻孔起裂压力越大;连续介质理论中起裂位置与围岩压力、抗压强度呈正相关,非连续介质理论中起裂位置始终沿水平应力方向。岩石介质对水压裂隙扩展规律的影响,可以为理论模型的优选提供参考,同时有助于裂隙起裂扩展行为预测。

诱导下岩体裂隙扩展规律研究存在问题及对策

大部分地下工程的失稳都是岩体在长期的“诱导”作用下裂隙扩展、贯通从而改变岩体本身的强度特征导致的结果,因此,研究岩体中裂隙的扩展演化规律,对进一步揭示岩体工程失稳、岩石破坏现象的机理和本质具有重要意义。本文从物理实验、数值模拟和力学理论三个方面介绍了目前对于裂隙岩体扩展的研究现状,并结合地下工程的演化过程和工程需求分析了目前裂隙扩展研究中存在的问题,提出了更适应工程问题需求的研究思路:以相似材料、3D打印和声发射技术为手段,首先通过小试样压缩实验确定适用于声发射技术监测的相似材料成分及配比范围,然后采用3D打印的方法制作成交叉裂隙的拉、剪实验试件并开展拉、剪蠕变试验,研究裂隙扩展致裂规律,裂隙岩体拉、剪蠕变声发射特征及破坏的前兆特征,分析岩体强度随蠕变时间的变化规律,在此基础上建立裂隙岩体的大型相似材料模型,研究开挖诱导下随裂隙参数、时间等因素的预测模型和岩体冒落触发时间与裂隙参数、开挖空间的关系模型,揭示裂隙岩体冒落演化机制,预测岩体冒落时间和范围,为地下工程长期稳定性和岩体冒落调控提供理论支撑。

荷载与干湿循环协同作用下红黏土变形特性及裂隙扩展规律研究

为了研究不同初始含水率、压实度、上覆荷载和干湿循环次数对红黏土变形特性及裂隙扩展规律的影响,采用改进后的固结仪装置对贵州红黏土进行施加上覆荷载的干湿循环试验,定量分析其变形性能与裂隙发育。结果表明:提高初始含水率、施加上覆荷载、减小压实度可以有效降低红黏土的胀缩变形,施加上覆荷载时,红黏土胀缩变形幅度随干湿循环次数的增加而减小;红黏土变形特性的影响程度依次为上覆荷载、压实度、初始含水率、干湿循环次数;红黏土裂隙发育与初始含水率、压实度、上覆荷载呈负相关,与干湿循环次数呈正相关;红黏土绝对胀缩率与裂隙率、压实度可通过二元非线性函数关系拟合。

考虑剪切的常规态近场动力学模型及岩体裂隙扩展演化规律研究

岩体中复杂的裂隙结构严重影响了工程岩体的稳定性及破坏形态,开展其对裂隙岩体损伤破坏模式影响的研究具有重要的理论意义和工程价值。本文基于常规态型近场动力学(OSB-PD)理论构建了考虑剪切变形的改进型OSB-PD模型,并基于构建的考虑剪切变形的OSB-PD模型开展了裂隙岩体在单轴压缩条件下的裂纹扩展演化规律研究;提出了一种新的岩石非均质性模拟方法,重点研究了岩石的非均质性对不同预制裂隙角度下岩石裂纹扩展行为的影响。结果表明,预制裂隙角度对于含裂隙岩石裂纹扩展具有较大影响,且岩石的非均质性将大幅度地提升裂纹扩展速度。

松软煤层瓦斯抽采钻孔裂隙扩展及声发射特性研究

为研究钻孔角度和气体压力对瓦斯抽采钻孔裂隙扩展的影响,利用自主研发的固-气耦合物理相似模拟实验台,监测稳压密闭条件下,不同钻孔角度和气体压力对声发射能量、计数和事件的影响。研究表明:瓦斯抽采钻孔钻进过程中声发射信号分为3个时期,即发育期、增长期和衰减期;钻孔角度由0°增加到30°时,累计能量增加437.3%,累计计数增加540.2%,事件数增加80.9%;气体压力由0.13 MPa增加到0.50 MPa时,累计能量增加140.4%,累计计数增加231.6%,事件数基本不变;钻孔孔周裂隙分布特征由钻孔中部区域裂隙集中分布变为钻孔中部下方区域裂隙集中分布,钻孔前端和上方区域分布较少。

气体性质和孔隙压力对煤体微裂隙扩展的影响

利用工业CT扫描系统,观测不同气体压力条件下煤体内部微裂隙萌生扩展特点,为揭示煤层瓦斯流动产出控制因素提供新的依据。结果表明:非吸附性气体作用下,随孔隙压力的升高,煤体内部微裂隙的萌生和扩展愈加明显,裂隙体积和裂隙面积百分比增长率随之逐渐减小,符合气体压力影响下的裂隙扩展方程,微裂隙扩展主要受控于应力集中效应和煤基质收缩效应。吸附性气体作用下,随吸附时间的延长,煤体内部微裂隙的萌生和扩展则越来越显著,直至扩展平衡;裂隙体积和裂隙面积百分比增长率随之逐渐变小,符合吸附时间影响下的裂隙扩展方程;裂隙扩展主要受应力集中效应、煤基质收缩效应、蚀损作用和劣化机制影响;吸附压力越大,煤体所需的吸附平衡时间愈长;微裂隙扩展平衡时间长于气体吸附平衡时间,裂隙扩展具有明显的滞后性。

预制裂隙类岩石试件表面变形场演化与裂隙扩展机理研究

我国东部矿区相继进入深部开采阶段,裂隙发育程度升高,开采扰动效应增强,围岩控制难度增大。为研究含裂隙岩石破坏机理,提高深部围岩控制效果,采用单轴抗压试验结合DIC技术研究了裂隙倾角对类岩石试件力学特性、表面变形场、裂隙扩展路径的影响。结果表明:预制裂隙与翼裂纹产生剪切互锁效应,含裂隙岩石应力-应变曲线呈双峰形态;裂隙倾角增大,岩石弹性模量和损伤程度升高,单轴抗压强度先降低后升高;确定了单轴抗压强度与裂隙倾角的定量关系,定义了含裂隙岩石破坏优势倾角,张开型裂隙优势倾角为45°;含裂隙岩石变形局部化现象始现于裂隙尖端,拉应力主导型启动应力为初始屈服强度的80%,剪应力主导型降至60%;变形集中带扩展路径与表面裂隙一致,应变值达到5.0%时,岩石变形由局部集中向裂隙发育阶段过渡;预制裂隙倾角为60°和75°时,岩石发生拉剪混合破坏,其他角度发生拉伸破坏;拉伸裂隙孕育时间长,两侧特征点水平位移曲线相互分离,剪切裂隙孕育时间短,两侧特征点纵向位移曲线相互分离;构建了预制裂隙类岩石试件GBM模型,岩石内部微裂纹以拉伸型为主,剪切型微裂纹随预制裂隙倾角增大呈先增多后减少趋势;DIC技术可预判岩石起裂位置、时间和裂隙扩展路径,为深部岩石破坏防控提供前兆信息。

基于裂隙扩展的多级岩质边坡开挖卸荷破坏路径分析

开挖卸荷作用下裂隙岩体边坡的破坏模式与路径分析是边坡工程灾害研究的热点之一,准确识别边坡的潜在破裂路径对工程安全施工和支护优化设计具有重要意义。依据断裂扩展分析方法,将裂隙扩展判别的理论方法开发并应用于数值模拟分析中,通过裂隙尖端应力强度因子计算、裂隙扩展模式识别、裂隙起裂角演算、裂隙扩展交汇等技术实现了岩体中断续裂隙的起裂、扩展与贯通演化过程的快速模拟;以某高速公路沿线裂隙岩体路堑边坡为对象,采用提出的模拟方法分析了多级开挖卸荷作用下坡体裂隙的扩展机制与边坡的破坏路径。结果表明:裂隙岩体边坡从上至下多级开挖过程中,坡肩裂隙首先起裂,并通过拉张型扩展逐渐发展为优势裂隙;随着边坡下挖,优势裂隙沿坡面向下逐步发生拉张/剪切混合型扩展并与既有裂隙交汇,在边坡中上部形成阶梯状扩展破坏路径;裂隙扩展至边坡下部及坡脚后扩展模式由拉张/剪切混合型转化为剪切型,并最终以弧形剪切面从坡脚出露。研究揭示了裂隙岩体边坡多级开挖卸荷作用下上部阶梯状拉张/剪切混合型破裂-下部弧形剪切型破裂的复合破坏模式,可为边坡工程支护设计和施工稳定性控制提供新思路。

多效应耦合作用下膨胀土裂隙扩展规律研究

裂隙是影响膨胀土工程建设的决定性因素,研究膨胀土裂隙扩展规律有利于揭示膨胀土边坡失稳机理.目前的研究中仅关注了单一因素对膨胀土裂隙扩展的影响,而忽略了多种因素耦合作用下的作用机理.基于研制的可控制环境温、湿度的裂隙扩展试验系统,开展了16组不同环境湿度、温度及土样厚度下的裂隙扩展正交试验,系统测量了随时间变化的水分蒸发过程和裂隙动态发育过程,得出了膨胀土试样含水率变化特征及裂隙扩展规律.并基于多因素方差和极差分析方法,得出以下结论:水分蒸发对膨胀土裂隙扩展起决定性作用,水分蒸发速率变化过程包含稳定阶段、减速率阶段和残余阶段;不同因素影响下膨胀土裂隙扩展过程有统一的规律,不同条件下面积裂隙率随时间变化过程均符合logistic规律;裂隙总长度、裂隙平均宽度、面积裂隙率和体积裂隙率受土样厚度影响最大,受环境湿度影响次之;稳定阶段蒸发速率受环境湿度影响最大.

正断层影响下煤层采动的裂隙扩展规律研究

为了研究正断层影响下煤层采动的裂隙扩展规律,根据断层与煤层的位置关系进行相似材料模拟实验。在煤层和断层区域埋设应力应变传感器,借助全站仪观测记录开采引起的煤层群裂隙演化情况,并利用数字散斑测量方法对开挖过程中的覆岩下沉量进行定量分析,研究工作面远离、接近和穿过断层时上覆岩层裂隙变化规律。经过岩层下沉分析得知,当工作面接近、穿过或远离断层时,上覆岩层从直接顶处出现整体垮落,随采随落到无法形成稳定结构,随着工作面持续推进远离断层,断层岩体逐渐压实基本趋于稳定。这为煤矿中顶底板与围岩变形研究以及断层裂隙扩展研究提供了新思路,为开展煤矿断层开采工作提供了科学依据。

基于XFEM的煤矿巷道顶板裂隙扩展特征研究

针对巷道顶板裂隙扩展难预测的问题,采用数值模拟与试验相结合的方法,应用扩展有限元(XFEM)计算裂隙扩展路径,重点分析在外部荷载的作用下,不同裂隙深度和倾角下巷道顶板的裂隙扩展过程、裂尖应力变化以及能量耗散规律。结果表明:裂隙深度的变化对裂隙的扩展与贯通具有一定的导向作用;随着裂隙深度的增加,顶板破坏所消耗的能量会减少,裂隙的起裂时间也会发生滞后;基于XFEM的数值模拟与试验中的裂隙扩展路径基本吻合,同时验证了XFEM能够有效应用于煤矿巷道顶板的扩展模拟,从而为巷道顶板稳定性控制与预防裂隙扩展提供理论依据。

气压深松犁底层裂隙扩展特性研究

气压深松通过对耕地犁底层内注入高压气体,使其产生裂隙实现深松作业。与传统机械式深松相比,气压深松具有深松效果好、动土量少、不易改变耕层结构等特点。为获得气松过程中犁底层内裂隙扩展特性及规律,在分析气压深松裂隙扩展理论模型基础上,同时进行气压深松室内模拟试验。试验结果表明:气压深松时,土表抬升明显,裂隙扩展机理符合抬升张拉机理,容重1.4 g/cm^(3)、1.6 g/cm^(3)、1.8 g/cm^(3)犁底层,在1.8 MPa的气压作用下,土体裂隙扩展最大半径为0.55 m,裂隙最大宽度为3.23 mm、9 mm、8.13 mm,犁底层容重对裂隙扩展宽度影响明显但并非正相关,裂隙宽度随注气点距离的增加而减小。试验结果与理论分析表述一致,即气压深松裂隙的扩展为气压衰减、气体土内泄露、土体位移三个过程的耦合作用。

水力压裂低透气性煤层裂隙扩展及瓦斯抽采技术应用

为了解决石壕煤矿煤质软、渗透性低、瓦斯抽采效率低、封孔难等问题,利用理论分析、技术开发和现场实测相结合的方法,对低透性煤层水力压裂裂纹扩展特征进行分析,优化了传统的封孔技术,采用3次注浆封孔技术对水力压裂钻孔进行封孔处理,应用水力压裂技术增加低透气性煤层的渗透性,并对煤层的渗透性和瓦斯含量进行现场监测。研究结果表明,流体压力大于煤体的裂隙维持闭合状态的极限强度时,天然闭合裂隙会被扩展成为瓦斯气体流动通道;采用3次注浆封孔技术,封孔成功率100%;松软煤层水力压裂裂隙扩展范围可以达到42 m,与初始瓦斯浓度相比,3次水力压裂后,瓦斯浓度降低了60.5%。采用3次封孔和水力压裂技术能有效增加低透性松软煤层的渗透性,提高瓦斯的抽采效率,防止高瓦斯矿井出现煤与瓦斯突出事故,为矿井的安全生产提供有力的保障。

岩石中三维单裂隙扩展过程的试验研究和数值模拟

采用一种新型的透明性和脆性度良好的非饱和树脂材料,制作了一组含有不同倾角椭圆形三维内置单裂隙的试样。研究了单轴压缩条件下单裂隙的扩展与贯通过程,分析探讨其产生的条件和机理。试验结果表明:三维单裂隙试件破坏过程大致经历4个阶段。三维单裂隙的断裂比二维断裂复杂得多,产生多种不同形态的裂纹,如鱼鳍状裂纹、花瓣形裂纹等。在FLAC^(3D)软件框架内还建立了一种新的弹脆性破坏本构关系和分析法,并采用超细单元划分法建模,用以模拟三维裂隙扩展。数值模拟结果与本文和前人的三维裂隙试验对照,相符程度均良好,表明了新的数值模拟方法的有效性。当推广到双轴压缩试验模拟时,也与前人相关试验结果有很好的一致性。

煤层深孔聚能爆破裂隙扩展数值模拟

在煤层深孔聚能爆破现场试验的基础上,应用非线性动力分析有限元软件ANSYS/LS-DY-NA对煤体致裂过程进行了模拟,探讨聚能爆破作用下煤体力学行为及裂隙扩展机理。研究表明,爆破改变了煤体应力状态,聚能效应导致煤体力学性质在聚能方向发生显著变化。此外在聚能方向上煤体粉碎区范围相对较小,而裂隙扩张半径明显大于非聚能方向。

非饱和板岩裂隙扩展机制CT试验研究

板岩内部不仅含有大量的由黏土类矿物组成的层理、片理,且还含有数量众多的微裂隙及微孔洞,这使得其力学特性显得相当复杂。采用CT机及配套岩石三轴试验加载设备,完成了2个锦屏II级电站非饱和板岩试样的单轴压缩破坏CT实时试验,得到了试样破坏的各个阶段的CT图像。通过对CT图像的分析处理,从细观角度分析板岩微裂纹萌生、扩展,直至宏观裂纹形成并贯通的整个演化过程,解释含水平层理和垂直层理2种情况下非饱和板岩破坏方式不同的机制。根据CT原理,推导基于CT数的非饱和岩石标量型损伤变量的计算公式。

水下采煤覆岩裂隙扩展判断方法及其应用

工作面突水是影响水体下煤层安全开采的主要隐患,而上覆岩层导水裂缝带发育是引起工作面突水的基本路径。基于裂隙萌生发育的形态分析,将导水裂隙带划分为两种类型,一是原生裂隙的张开或滑动,二是新生裂隙向完整结构的扩展;而且,在工程荷载作用下卸荷裂隙的萌生和扩展具有优势定向性特征。考虑开采煤层覆岩裂隙的分布特征,基于格里菲斯摩尔-库伦准则建立了裂隙扩展的分析模型和判断方法。借助FISH语言,将扩展模型耦合入离散元软件UDEC中,并用其模拟水体下煤层开采过程,分析在工作面推进过程中上覆岩层内裂隙带萌生演化特征。分析了工作面突涌水机理,得出了水下采煤工作面覆岩导水裂隙带高度的确定方法。并结合导水裂隙带高度现场观测实践进行了工程验证。

节理岩体裂隙扩展过程一种新改进的弹脆性模拟方法及应用

通过改进原有的FLAC3D本构关系为弹脆性本构,并采用超细单元划分法,模拟和研究双裂隙岩石试件在单轴、双轴加载作用下的破坏过程。数值计算结果与前人试验所得到的相应结果具有良好的一致性。用此方法还模拟了4条2组不同倾向裂隙的破裂过程和椭圆形三维单裂隙的扩展过程,且三维数值模拟结果与前人试验也有很好一致性。最后,将该模型引入到某边坡开挖工程的裂隙扩展过程研究和稳定性分析中,取得较好效果。

低渗煤层液态CO_2相变射孔破岩及裂隙扩展力学机理

液态CO_2相变射孔致裂增透技术作为一种有效的低渗煤层强化抽采方法,已被广泛的应用研究。但由于该技术在破岩及裂隙扩展力学机理方面研究不足,在一定程度上影响该技术进一步发展及应用。基于热工学、弹性力学、断裂力学等理论基础,建立了液态CO_2相变气体射流压力模型,理论分析了液态CO_2相变射孔破岩力学机理、地应力条件下裂隙扩展力学机理。采用PFC2D离散元颗粒流分析软件,进行数值模拟研究,分析了不同地应力及射流压力条件下液态CO_2相变射孔破岩及裂隙分布特征。在以上研究基础上,在川煤集团白皎煤矿进行现场试验,研究表明该技术可有效提高低渗煤层瓦斯抽采效率。

土体气压劈裂裂隙扩展特性及影响因素分析

气压劈裂是指土体在高压气体作用下产生裂隙并发展的过程。在分析气压劈裂裂隙扩展特性的基础上,考虑气体与土体相互作用机理,提出气压劈裂裂隙扩展模型适用条件;同时进行气压劈裂裂隙扩展模型中关键影响因素参数分析。参数分析结果表明,土体的透气性对于气压劈裂效果有显著的影响,裂隙最大宽度和裂隙半径随着土体中气体渗透系数的增大而减小,呈指数关系;喷气量的增加可以增大裂隙最大宽度和裂隙半径,尤其对增大裂隙宽度效果更为明显;喷气深度的改变对于裂隙半径影响显著,呈线性正相关性;裂隙最大宽度随着弹性模量的增大而减小,呈指数关系,当模量增大到一定程度时,裂隙宽度趋于极限值,裂隙半径与弹性模量呈线性正相关关系。